廣西珍珠灣三種紅樹林林分土壤碳氮儲量的研究

陶玉華 黃星 王薛平 鐘秋平

摘 要：為了探討不同紅樹林林分土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）和全氮（total nitrogen，TN）儲量空間的分布特征以及與C/N的相關性，該研究以廣西防城珍珠灣紅樹林濕地為對象，通過樣地調查取樣和實驗室分析，測定了SOC和TN的含量以及土壤碳儲量的計量，揭示了廣西北侖河珍珠灣秋茄、木欖和混交林三種紅樹林林分SOC和TN儲量空間的分布特征以及C/N與SOC和TN的相關性。結果表明：（1）秋茄、木欖和混交林的SOC儲量分別為140.73、124.94、144.71 t·hm2，三者無顯著性差異（P>0.05）;木欖和混交林垂直分布特征表現為20～40 cm>0～20 cm>40～60 cm，秋茄表現為隨著土層深度的增加而遞減。（2）秋茄、木欖和混交林的TN儲量分別為6.49、5.01、5.87 t·hm2，表現為隨著土層深度的增加而減少的趨勢。（3）秋茄、木欖和混交林的SOC與TN儲量之間的相關性極顯著（P<0.01），相關系數分別為0.924、0.971和0.844，說明SOC與TN之間存在一定的耦合效應。（4）三種林分的C/N比值范圍為16.77～24.39，表明有機質主要來源于陸地，木欖和混交林土壤的C/N值與SOC儲量有顯著的相關性（P<0.05），三種林分的C/N比值與TN儲量相關性均不顯著。（5）三種紅樹林林分的土壤碳儲量均高于我國森林土壤碳儲量的平均值，且SOC與TN儲量之間的相關性極顯著。

關鍵詞：秋茄，木欖，混交林，碳氮儲量，分布特征

Abstract：Inorder to probe the storage and spatial distribution characteristics of soil organic carbon（SOC） and total nitrogen （TN） and the relationship between C/N and SOC and TN in soil of mangrove stands of different ages，SOC，TN contents and soil carbon storage were measured and analyzed，based on plot sampling investigation and laboratory analysis，and storage and spatial distribution characteristics of SOC and TN，and the relationship between C/N and SOC and TN were discovered in soils of three kinds of mangrove stands of Kandelia candel，Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests in Zhenzhu Gulf，Beilun River of Guangxi. The results were as follows：（1） The SOC storage of Kandelia candel，Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests were 140.73，124.94，144.71 t·hm2，respectively，and there was no significant differences among them（P<0.05）; The SOC storage of Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests from the highest to the lowest invertical distribution was 20-40 cm > 0-20 cm > 40-60 cm，and the SOC storage of Kandelia candel decreased with the increase of soil depth. （2） TN storage of Kandelia candel，Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests were 6.49，5.01，5.87 t·hm2，respectively，decreasing with the increase of soil depth. （3） There was a significant correlation between SOC and TN storage in Kandelia candel，Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests （P<0.01），and correlation coefficients were 0.924，0.971 and 0.844，respectively，which indicated that there was coupling effect between SOC and TN. （4） The C/N of three stands ranged from 16.77 to 24.39，indicating that the organic matter mainly came from land. There was a significant correlation between soil C/N and SOC storage in Bruguiera gymnorrhiza and mixed forests （P<0.05），but there was no significant correlation between C/N and TN storage in the three stands. （5） The soil carbon storage of three mangrove stands was higher than the average value of forest soil carbon storage in China，and there was extremely significant correlation between SOC and TN.

Key words：Kandelia candel，Bruguiera gymnorrhiza，mixed forests，storage of SOC and TN，distribution characteristics

紅樹林位于海洋和陸地的動態交界處，是一種生產力和生物多樣性較高的濕地生態系統類型，其土壤有機碳庫和氮庫在濕地生態系統的物質能量循環中起著重要的作用。在全球范圍內，紅樹林濕地面積占海洋面積雖然不到2%，但其固定的碳儲量卻占其10%～15%（Twilley et al.，1992）。盡管對紅樹林土壤有機碳儲量的研究起步較晚（辛琨等，2014;郭志華等，2014;喬永民等，2018），但紅樹林作為藍碳的重要組成部分，其碳儲量的動態變化卻影響著藍碳的收支平衡。近年來，一些學者已對華南地區紅樹林土壤碳儲量不同方向開展了研究，包括不同環境因子和土地利用形式對土壤有機碳庫的影響（袁彥婷等，2012;詹紹芬等，2017），紅樹林土壤有機碳儲量的分布特征以及紅樹林土壤有機碳的來源辨析等（邱廣龍等，2017;于宇等，2017）等。然而，少有分樹種和林分來開展對紅樹林濕地土壤有機碳庫和氮庫的研究。土壤碳氮比值（C/N）是反映土壤有機碳氮的積累和土壤質量變化的指標，氮對土壤有機碳庫產生重要的影響（昝啟杰等，2002;趙慶慶等，2018），它的變化趨勢對土壤物質循環和植株的生長發育有重要的影響。紅樹林濕地是承納著來自海陸營養鹽的蓄積地，是濕地沉積物中有機質輸入的最主要貢獻者，由于紅樹林種類的多樣性和其結構的復雜性，對于其碳氮的物質循環的認識還不是很清晰，有必要分樹種開展對紅樹林濕地碳氮庫的研究。目前，我國對紅樹林土壤碳庫和氮庫的研究多集中在福建、海南和廣東等地，對于廣西紅樹林濕地的相關研究還不多，不利于規律性成果的總結。

對于廣西珍珠灣紅樹林土壤有機碳和氮儲量的垂直分布特征和C/N比值及其來源的辨析仍缺乏深入的研究。以廣西防城珍珠灣紅樹林濕地為研究對象，深入研究其土壤碳氮儲量的分布規律、C/N比值以及有機碳儲量與氮儲量的相關性，探討其影響因素及其來源，加深認識紅樹林濕地碳和氮在生物地球化學循環中的相互作用，從而為紅樹林濕地管理提供科學依據。

1 研究區概況

研究地點位于北侖河口國家級自然保護區珍珠灣紅樹林區域，北侖河口國家級自然保護區位于我國大陸最西南端海岸線，處于廣西東興市和防城港市海域，東南臨近北部灣，西南與越南毗鄰，海岸線長為105 km，灘涂面積為53 km2，由東到西包括珍珠灣、江平三島和北侖河口。珍珠灣紅樹林保護區分布著我國大陸海岸連片面積最大、分布相對集中、生態景觀奇特的紅樹林，現有紅樹林面積約為1 274 hm2，其中1 081 hm2紅樹林集中在珍珠灣內。氣候屬于南亞熱帶海洋季風氣候，日照時數大于1 600 h，年均氣溫為22.3 ℃，年平均降水量為2 220.5 mm。潮汐類型為正規全日潮，平均潮差為2.22 m，海水年平均溫度為23.5 ℃，鹽度為23.1‰（范航清等，2014）。海岸帶土壤主要為風沙土和沖積土，陸地土壤以紅壤和黃壤為主。河漫灘的土壤主要為粉細沙和沙卵石。保護區共有紅樹植物 16 種，包括木欖（Bruguiera gymnorrhiza）、桐花樹（Aegiceras corniculatum）、秋茄（Kandelia candel）、白骨壤（Avicennia marina）、海漆（Excoecari aagallocha）、紅海欖（Rhizophora stylosa）、欖李（ Lumnitzera racemosa）、老鼠簕（Acanthus ilicifolius）、小花老鼠簕（A. ebracteatus）（梁士楚等，2004）等。本研究的對象為秋茄、木欖和混交林，三種林分的平均樹高為2.23 m、平均胸徑為3.47 cm。

2 研究方法

2.1 土樣采集

在珍珠灣秋茄、木欖和混交林的試驗區域分別設立5 m × 10 m 的樣地，共9個樣地，用Q、M和H分別表示秋茄、木欖和混交林三種林分（圖1）。每個樣地內隨機選擇3個土壤采樣點，剖面深度分為 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，利用環刀進行采樣，環刀體積為100 cm3。將采集后的土壤樣品放入聚乙烯自封袋后帶回實驗室，測定土壤的容重和含水率，土樣通過自然風干、過篩并去除雜物后用于有機碳含量SOC和總氮含量TN的測定。

2.2 實驗方法

SOC含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，TN含量采用凱氏定氮法測定。

2.3 數據分析

2.4 統計分析

采用軟件Excel 2010和 SPSS19.0進行數據分析。采用單因素方差分析（ANOVA）（P<0.05）不同林分土壤有機碳儲量和氮儲量的差異。采用Pearson相關法分析 SOC、TN與 C/N值之間的相關關系。

3 結果與分析

3.1 土壤有機碳含量和全氮含量的變化

秋茄、木欖和混交林SOC和TN的含量，大體表現為0～60 cm深度內隨著土層深度的增加而降低的趨勢。秋茄SOC和TN的含量在0～60 cm的變化范圍分別為1.43%～2.21%和0.62～1.03 g·kg1;木欖SOC和TN的含量在0～60 cm的變化范圍分別為1.01%～2.13%和0.43～0.87 g·kg1;混交林SOC和TN的含量在0～60 cm的變化范圍分別為1.41%～2.39%和0.61～0.98 g·kg1。混交林的SOC含量高于秋茄和木欖的，在40～60 cm土層中秋茄和木欖的SOC含量存在顯著性差異，但均與混交林無顯著差異。秋茄和混交林的TN含量相近，均高于木欖的，在40～60 cm土層中秋茄和木欖的SOC含量存在顯著性差異，但均與混交林無顯著差異。40～60 cm土層的木欖和混交林的SOC含量分別與其0～20 cm、20～40 cm的有顯著性差異。40～60 cm土層木欖的TN含量分別與其0～20 cm、20～40 cm的有顯著性差異。0～20 cm土層混交林的TN含量與40～60 cm的有顯著性差異（P<0.05）（表1）。

3.2 土壤有機碳儲量和全氮儲量的分配

在0～60 cm土層的總SOC儲量表現為混交林>秋茄>木欖，總TN儲量為秋茄>混交林>木欖。

I. 秋茄; Ⅱ. 木欖; Ⅲ. 混交林。不同大寫字母表示不同樹種在同一土層差異顯著（P<0.05）; 不同小寫字母表示同一樹種不同土層深度差異顯著（P<0.05）。下同。

秋茄、木欖和混交林 SOC和TN儲量有隨著土層深度的增加而減少的趨勢（木欖和混交林的SOC除外），三種林分在0～60 cm總SOC和總TN沒有顯著性差異。三者SOC在0～20 cm、20～40 cm均無顯著性差異，但木欖40～60 cm SOC與秋茄差異顯著，與混交林無顯著性差異。木欖40～60 cm TN與秋茄差異顯著。木欖40～60 cm 的SOC分別與0～20 cm、20～40 cm差異顯著，混交林各土層SOC之間的比較關系同木欖。木欖40～60 cm土層的TN分別與0～20 cm、20～40 cm差異顯著，混交林的TN在0～20 cm和40～60 cm間存在顯著差異（圖2）。

3.3 C/N與土壤有機碳儲量和全氮儲量的相關性

由表2可知，秋茄土壤C/N值分別與SOC儲量和TN儲量的相關性不顯著，SOC儲量與TN儲量之間存在極其顯著的相關性（P<0.01），相關系數為0.924。木欖土壤C/N值與SOC儲量有顯著的相關性（P<0.05），與TN儲量相關性不顯著，SOC儲量與TN儲量之間存在極其顯著的相關性（P<0.01），相關系數為0.971。混交林土壤C/N值與SOC儲量有顯著的相關性（P<0.05），與TN儲量相關性不顯著，SOC儲量與TN儲量之間存在極其顯著的相關性（P<0.01），相關系數為0.844。

3.4 秋茄、木欖和混交林土壤 C/N值的變化

秋茄、木欖和混交林土壤的C/N值在0～60 cm土層的變化范圍為20.88～26.64（圖3）。秋茄、木欖和混交林總的C/N值表現為木欖>混交林>秋茄。秋茄土壤的C/N值表現為40～60 cm>0～20 cm>20～40 cm，木欖的C/N值表現為20～40 cm>0～20 cm>40～60 cm，混交林的C/N值為20～40 cm>0～20 cm>40～60 cm。木欖和混交林土壤的C/N值變化趨勢一致。

4 討論與結論

4.1 土壤的SOC和TN變化以及碳氮相關性

本研究中，秋茄、木欖和混交林的SOC含量均值分別為1.79%、1.79%和2.04%，低于海南東寨港山尾和竹山秋茄、木欖和其他種類的紅樹林的SOC（詹紹芬等，2015），與福建九龍江口紅樹林接近（于宇等，2017）。秋茄和混交林的SOC含量表現為表聚性，木欖的SOC含量表現為20～40 cm土層最高。有研究表明，紅樹林土壤有機碳含量與其根系的分布有關（辛琨等，2014;陳懷璞等，2017）。在20～40 cm土層中存在大量根系，根系及其活動是土壤深層有機碳的重要來源之一。此外，由于濕地長期處于水淹的環境中，造成土壤含氧量降低而促使有機碳分解減慢，從而有利于SOC的積累。秋茄、木欖和混交林TN含量均值分別為0.83、0.72和0.82 g·kg1，分布特征表現為表聚性，小于福建九龍江口紅樹林（于宇等，2017），高于廣西大冠沙紅樹林和廣東湛江紅樹林TN（袁彥婷等，2012）。

本研究中，秋茄、木欖和混交林的SOC儲量分別為140.73、124.94和144.71 t·hm2，均高于我國森林土壤碳儲量的平均值107.8 t·hm2（劉世榮等，2011），表明紅樹林濕地巨大的固匯能力和作為藍碳組成部分具有的生態意義和價值。秋茄、木欖和混交林總TN分別為6.49、5.01和5.87 t·hm2，除了木欖和秋茄的SOC外，秋茄、木欖和混交林的SOC和TN隨著土層深度的增加呈現了減少的趨勢，與辛琨等（2014）研究的海南紅樹林的SOC分布特征一致，濕地土壤有機碳來源于枯落物、植物根系、根系分泌物和動物殘體以及排泄物等內源性輸入，經過土壤微生物的分解作用釋放到土壤表層，使土壤表層的有機碳儲量增加。此外，濕地土壤有機碳還來自潮汐、河水和降雨等攜帶的外源性有機物。

由于紅樹林濕地生態系統特殊的水熱條件、生物和氣候因素以及生境的動態性共同影響著 SOC 的輸入輸出，在植被、沉積物、間隙水、海水和大氣之間存在多個界面的碳交換過程，從而導致紅樹林的SOC 影響因子的多樣性和復雜性，紅樹林沉積物有機碳存在較大的不確定性（Giri et al.，2011; KauffmaNet al.，2011）。因此，不同區域、不同群落和不同取樣深度SOC儲量會有較大的差異，海南文昌清瀾港紅樹林不同試驗地點的SOC儲量最高值分別出現在15～30 cm（林慧等，2015）和20～40 cm處（郭志華等，2014），海南東寨港山尾木欖群落SOC儲量最大值出現在0～10 cm，秋茄群落為40～50 cm，竹山木欖群落為30～40 cm（詹紹芬等，2015），深圳灣紅樹林SOC儲量最高值卻出現在73 cm處（喬永民等，2018）。

本研究中，三種林分的TN儲量表現為隨著土層深度增加而減少的趨勢，與珠江口紅樹林的研究結果一致（牛安逸等，2019）。有研究表明，碳氮元素主要是以枯落物形式輸入土壤中（李旭林等，2010;Fragoso et al.，2017;Nordhaus et al.，2017）。表層的SOC和TN儲量較高是因為植被地上枯落物的輸入，而深層土壤的SOC和TN儲量卻主要受植物根系的影響（Yang et al.，2015）。因此，本研究區域枯落物仍是土壤獲得養分的主要來源。

本研究中，秋茄、木欖和混交林的SOC與TN儲量之間相關性極顯著（P<0.01），相關系數分別為0.924、0.971和0.844，表明SOC與TN之間存在一定的耦合效應，這與前人（崔靜等，2012;吳綻蕾等，2016;喬永民等，2018）的研究結果一致。氮素的增加可促進植物的生長，從而提高有機碳的積累，而有機碳的分解卻可以促進氮素在土壤中的釋放。有機碳在土壤中的固定在一定程度上取決于氮素的高低（陳懷璞等，2017），碳的固定能引起氮的固定，二者存在一定的消長關系。

由于SOC和TN受土壤理化性質、水文氣候條件和濕地生物以及人類活動干擾等多因素的影響（辛琨等，2014;張劍等，2017），所以討論SOC和TN的影響因素需要多方面從外界影響因子和土壤本身特性的綜合性因素去考量。本研究由于未涉及紅樹林沉積物的間隙水以及海水的SOC和TN的研究，所以還不能從多個碳交換界面去全面分析與SOC和TN之間的關系。

4.3 土壤 C/N值的變化及與SOC儲量和TN儲量的相關性

濕地沉積物中 C/N值是確定其有機質來源的一個重要方法。海洋藻類因富含蛋白質而少纖維素，其C/N值通常小于10，而陸生高等植物富含纖維素而缺乏蛋白質，C/N值通常大于等于20，當沉積物中，C/N值越大顯示其來自陸源的有機質含量越高（Krishnamurthy et al.，1986;王愛軍等，2007）。以此判斷為標準，本研究中土壤的C/N值為20.88～26.64，表明三種紅樹林濕地有機質主要來源于陸地，這與夏鵬等（2015）通過同位素示蹤研究廣西欽州灣紅樹林有機碳的來源結果一致。C/N值最高出現在20～40 cm或40～60 cm，說明來自本研究取樣范圍的中層和深層有機碳來源于陸地成分的量高于表層。

本研究中，木欖和混交林土壤的C/N值與SOC儲量有顯著的相關性（P<0.05），與TN儲量相關性不顯著。有學者研究報道了土壤 C/N與SOC分解速率呈反比，濕地土壤C/N值高會使得土壤微生物活性降低，C/N值越大，有機碳分解速度越慢，從而減少了有機碳的氧化和流失，有利于土壤有機碳的積累（王紹強等，2000;Yang et al.，2013;Wang et al.，2014）。較高的C/N值表明其有機碳的積累多，本研究三種林分紅樹林的C/N值均大于中國土壤C/N的均值（王紹強等，2008），說明紅樹林濕地具有強大的碳匯能力。

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